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54 不可能存在的黑洞:中等質量黑洞

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2020年9月出了個物理學大新聞,當年發現引力波的超大實驗儀器LIGO,發現了一個極其奇怪的引力波信號。這個信號告訴我們,要麽是我們現在的黑洞理論有問題,要麽是出現了一種全新的、從未觀測到過的,也沒有任何理論預言過的新型奇怪天體。

LIGO發現了一個142倍太陽質量的黑洞,這個黑洞是由兩個小一點的黑洞合並而成的,一個是65倍太陽質量,另一個是85倍太陽質量。恰恰是85這個數字太奇怪了,根據我們現有的黑洞理論,不應該存在85倍太陽質量的黑洞。根據前文提到的,黑洞的質量可以較小,也可以極大。例如,10倍太陽質量的黑洞是可能存在的,幾十億倍太陽質量的黑洞也是可能存在的。銀河係中心,就有一個幾十億倍太陽質量的黑洞。

65~130倍太陽質量左右的黑洞叫作中等質量黑洞,但這個質量區間的黑洞根據理論不應該存在,因為“對不穩定性”(pair-instability),這就需要一些粒子物理知識了。我們知道粒子和它的反粒子碰到一塊就會湮滅,例如電子和正電子碰到一起會湮滅,變成光子。這個反應如果反過來,也有可能發生。當光子能量很高時,它們可以碰撞出正反電子對。當一個恒星質量較大,比如100倍太陽質量的時候,它的引力非常強,內壓很大,內部光子能量非常高,會發生光子碰撞出正反電子對的效果。一個恒星之所以擁有固定大小,沒有在引力作用下坍縮成一團,是因為內部核反應產生能量向外釋放,把引力平衡了。可一旦發生了光子對變成正反電子對的反應,正反電子對向外支撐的力是沒有原本光子的光壓強大的,這樣的話引力占據上風,天體要往裏坍縮。並且由於天體質量大,這一坍縮,其實是在向內部急劇壓縮,會在短時間內提升能量密度,產生巨大反撲,這會讓天體噴發出巨大能量和大量物質,這就是“對不穩定性”。